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WO1999041594A1 - Determining surface plasmon resonance using spatially or time-modified layers - Google Patents

Determining surface plasmon resonance using spatially or time-modified layers Download PDF

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Publication number
WO1999041594A1
WO1999041594A1 PCT/EP1999/000895 EP9900895W WO9941594A1 WO 1999041594 A1 WO1999041594 A1 WO 1999041594A1 EP 9900895 W EP9900895 W EP 9900895W WO 9941594 A1 WO9941594 A1 WO 9941594A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
transducer
layer
optical sensor
light
surface plasmon
Prior art date
Application number
PCT/EP1999/000895
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Gunnar Brink
Henning Groll
Original Assignee
Biotul Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE19805809A external-priority patent/DE19805809C2/en
Application filed by Biotul Ag filed Critical Biotul Ag
Priority to AU26232/99A priority Critical patent/AU2623299A/en
Priority to EP99906225A priority patent/EP1161676A1/en
Publication of WO1999041594A1 publication Critical patent/WO1999041594A1/en

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55Specular reflectivity
    • G01N21/552Attenuated total reflection
    • G01N21/553Attenuated total reflection and using surface plasmons

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for measuring surface plasmons.
  • SPR Surface plasmon resonance
  • the position of the SPR in the spectrum does not depend solely on the properties of the plasmon-bearing layer of the free electron metal.
  • the position of the SPR and also its shape depend on the optical properties of the medium adjacent to the surface. This property is used for the use of the SPR in sensors. Particularly in biosensors, the adjacent medium is designed so that its optical properties (thickness and refractive index) are modified by specific adsorption of analyte molecules. This is typically done by firmly binding special ligand molecules in a thin layer that prevents unspecific adsorption. These ligands are specific binding partners for the molecules to be analyzed. For example, such a typical pair is an antibody (ligand) and the corresponding antigen (analyte).
  • the sensors described in the prior art and the underlying methods are based on observing the displacement of the SPR either in the spectrum of the incident light or in the excitation angle.
  • the use of a method that is based on the spectral measurement of the SPR has the advantage that the location space is available for obtaining additional information. If the wavelength-resolved measurement is linked to a spatially resolved measurement, the information density can be increased significantly. The difference corresponds to that between a black and white screen and a color screen.
  • Both the angular and the wavelength-resolved measurement of SPR use the controlled change (tuning) of an external variable across the width of the resonance or the irradiation of light with the width of the resonance - spectrally, approx. 100 nm or more, angularly resolved , a few degrees - to measure changes in SPR.
  • These methods have the disadvantage that they either cannot provide an optimal time resolution, an optimal energy density or neither of the two.
  • the invention has for its object to provide a device and a method for measuring surface plasmons, which enables better time resolution and / or energy density.
  • Measuring the SPR with a spectrally narrow-band, parallel, constant light beam of high intensity is ideal in terms of time resolution and sensitivity. This means that both the temporal and the resolution when measuring intensities and thus the sensitivity can be optimized.
  • the invention is based on the basic idea that the material properties of those areas which adjoin the surface of the SPR sensor (transducer) carrying the SPR, 4
  • These layers can be the free electron metal (metal layer) or a first layer on the light coupling side or a second (dielectric) layer on the sample side.
  • the first and second layers can directly adjoin the metal layer.
  • the first or second layer can be separated from the metal layer by a first or second intermediate layer or a plurality of intermediate layers.
  • the second layer can also directly adjoin the sample volume.
  • the form and location of the SPR are primarily influenced either spatially or temporally.
  • the invention enables the above-mentioned determination of the SPR both with an optimal temporal (only with spatially resolved determination) and with an optimal intensity resolution. It also has the advantage that the other spatial axes can optionally be used to obtain further information. This is made clear in the exemplary embodiments.
  • the invention also allows the combination of spatially or temporally resolved measurements and narrow-band spectral modulation of the light source to suppress external disturbance variables and to achieve an optimal signal-to-noise ratio.
  • Various methods are available for spatial modification of the transducer surface - more precisely: of complex refractive index n, thickness d or the product n * d.
  • the thin layer of the free electron metal can be produced or modified in a correspondingly structured manner, or one or more layers which directly or indirectly adjoin the metal layer.
  • Techniques available for modification are based on the spatially resolved application of material, such as spatially resolved sputtering of material on surfaces, or by printing, by directional diffusion of foreign materials, by spatially resolved ion implantation, by spatially resolved photo-induced binding or also by deliberately removing material from the surface, for example by sputtering or lithographic techniques, plasma etching etc.
  • a further possibility for the spatial modification according to the invention is the generation of a standing wave - for example as a density modification in an acoustic way - in the area of the transducer which adjoins the SPR-bearing surface.
  • a material at the interface whose refractive index can be modified in a spatially or time-resolved manner by irradiation with a further light field.
  • a material is, for example, a dye.
  • time-resolved modification is understood here to mean the change in the properties of one or more layers in an SPR transducer, which are suitable for changing the shape and position of the SPR, in such a way that these changes are reversible and by changing a time external size come about.
  • one or more of the layers described or the entire transducer can be compressed or expanded, or the temperature of corresponding areas can be changed or a light field as described above can be irradiated.
  • Figure la a schematic structure of a device for
  • Figure lb a schematic structure of an SPR sensor with a configuration according to Kretschmann for excitation of SPR
  • Figure lc a schematic diagram of a section of a
  • FIG. 1d shows a diagram of the strength of the electric field E in the border area free electron metal 5 / sample 6
  • Figure le a schematic representation of a layer structure of the transducer area acting on the shape and position of the SPR
  • FIG. 2a a schematic representation of a variation of the layer thickness d of the free electron metal 5 in an SPR sensor according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2b a schematic representation of a variation in the layer thickness of an additional dielectric layer 7 between free electron metal 5 and sample 6;
  • FIG. 3 shows a basic illustration of a variation of the refractive index n of the free electron metal 5 or of a layer 7, 8;
  • FIG. 4 shows a basic illustration of a cyclic variation of the optical properties of the free electron metal 5 or a layer 7, 8;
  • FIG. 5a a top view of a circular transducer 2 according to a further embodiment of the invention;
  • FIG. 5b a schematic arrangement of different sample channels 10 along the radius r of the circular transducer according to FIG. 5a;
  • FIG. 5c a basic representation of an SPR signal as a function of the angle of rotation in a transducer according to FIG. 5a;
  • FIG. 6a a perspective view of a sensor based on the rotationally resolved measurement of an SPR signal according to an alternative embodiment of the invention;
  • Figure 6b a schematic structure of a device for
  • FIG. 7a shows a perspective view of a sensor with a linear arrangement for determining analyte concentrations with the aid of spatially resolved measurement of an SPR signal
  • FIG. 7b shows a basic illustration of an SPR signal as a function of the location in a transducer according to FIG. 7a.
  • FIG. 1 A parallel light beam of constant wavelength is emitted from a light source 1, preferably a laser, e.g. a diode laser, irradiated onto an SPR transducer 2.
  • the light emitted by the transducer is detected by a detector 3 and then evaluated by an evaluation unit (not shown).
  • the transducer 2 is used, for example, as shown in FIG. 1b in a Kretschmann configuration.
  • the transducer consists of a free electron metal layer 5 on the light-coupling side of which a glass prism 4 is arranged.
  • a sample 6 is arranged on the sample side of the metal layer 5.
  • the light beam is emitted from one side of the glass prism 8th
  • FIG. 1c which shows a section of FIG. 1b, there is a total reflection of the light on the metal layer 5.
  • An evanescent field is formed in the metal layer 5 and the adjacent sample, which excites surface plasmons on the opposite side of the metal layer.
  • the corresponding field course of the surface plasmons is shown in FIG. 1d.
  • SPR Surface plasmon resonance
  • the transducer 2 can consist of several layers arranged one above the other.
  • a first dielectric layer 7 is arranged on the light-coupling side, and adjoins the metal layer 5 directly or as shown via one or more first intermediate layers 7a.
  • a second layer 8 is arranged directly adjacent to the sample side or separated by one or more second intermediate layers 8a.
  • the structure or the surface of the transducer according to the invention is such that the thickness of at least one of the layers varies along at least one of its axes.
  • the remaining layers are equally thick.
  • the refractive index varies in at least one of the layers mentioned.
  • Figure 2a shows a preferred embodiment of a transducer according to the present invention.
  • the thickness of the layer of free electron metal 5 varies in the y direction. In the example, the thickness increases linearly from 40 to 50 nm from the left (from the first side of the prism) to the right (to the second side of the prism). Gold or silver, for example, is used as the free electron metal.
  • the thickness of a thin glass layer 8 located on the sample side of a gold layer 5 varies in the y-direction of the transducer. In the example, the thickness changes linearly from 20 to 100 nm. The thickness of the gold layer 5 is uniform in this example. Alternatively, the thickness of the gold layer can also vary.
  • the intensity of the light reflected from the transducer surface is measured with a detector 3, which is designed in such a way that it permits measurements with spatial resolution in at least one dimension.
  • the detector is, for example, a photodiode array that is arranged in the y direction.
  • the resulting signal is a spatially resolved SPR. If the optical properties of the layer 6 adjoining the gold layer (FIG. 2a) or the glass layer (FIG. 2b) change, the SPR shifts as shown schematically in FIG. 2c. The shift is, for example, a measure of the analyte atoms bound in the adjacent layer.
  • Figure 3 shows a further embodiment of the invention.
  • the optical structure corresponds to the exemplary embodiment in FIG. 1b.
  • the transducer surface is designed such that the refractive index n of the layer of free electron metal 5 or another layer 7, 8 increases along a transducer axis, as shown in the diagram.
  • the resulting signal is a spatially resolved SPR.
  • the optical properties d * n of the plasmon-bearing layer 5 or another layer 7, 8 are varied cyclically.
  • the product n * d indicates the variation in the thickness d and / or the refractive index n that is present in the y-direction of the transducer.
  • the amplitude of the cyclic modification of the optical properties is preferably just large enough to sweep the entire SPR in one period.
  • This cyclic variation can e.g. corresponding to a sawtooth-shaped function, a triangular function, a sine function or, for example, a function which maps the surface plasmon to one of the functions mentioned.
  • the underlying coordinate system is not necessarily a rectangular one, as shown in Figures 1 to 4.
  • a circular transducer can also be used - FIG. 5a.
  • the corresponding coordinate in the exemplary embodiments described above is no longer y but the angle of rotation and the spatially resolved measurement of the intensity with the aid of a diode line or a camera can be carried out by detection with a photodiode and simultaneous rotation of the circular transducer.
  • the rotation can be uniform or stepwise.
  • the signal 'of the photodiode can be read out just when the rotation frequency.
  • a shift in the SPR can then be measured, for example, as a phase shift.
  • a reference signal of constant phase is preferably recorded simultaneously with the actual measurement signal and a comparison is carried out with the aid of a PLL circuit (phase locked loop).
  • the second dimension of the transducer surface can be used to provide further information about the sample to be examined.
  • Different ligands for different analytes or ligands of different affinity for one or more analytes can be applied in a affinity sensor along the x-axis (see FIG. 1b) or the radius r (see FIG. 5b).
  • concentration of the ligands on the surface can also be varied along the x-axis or from r.
  • a number of different sample channels, which run correspondingly can be used with different samples.
  • affinity sensors can be implemented.
  • completely new devices can be implemented for use as diagnostic affinity sensors. Two of these devices are described below as preferred embodiments of the invention with reference to FIGS. 6 and 7.
  • the device described here and shown schematically in FIG. 6 is based on the use of a circular transducer surface with concentric semicircular sample channels 10.
  • a laser diode or, for example, a light-emitting diode serves as light source 1, the spectral width of which is restricted by the use of an optical filter or any other another light source with a spectral width that is small compared to the spectral width of the surface plasmon with a constant angle of incidence of the exciting light, or a light source that is provided with a spectral filter, such as a monochromator.
  • the SPR is approx. 100 nm wide (2 * FWHM - Fill Width Half Minimum).
  • An LED in this wavelength range with a spectral width of the emitted light of approx. 15 nm - 30 nm is already small enough 12
  • a much narrower band light source is preferably used.
  • a light source is a laser diode that shines at the wavelength mentioned with a spectral width of approximately 1 pm or less.
  • the incident light is applied as parallel as possible.
  • the measure for a tolerable deviation from parallelism is preferably the width of the SPR in the angular space at a constant wavelength of the incident light. Under the above conditions, this width is approximately 2 degrees, so that a light beam should have a convergence or divergence angle of approximately 0.5 ° or less.
  • the required parallelism relates to the angle of incidence in the reflection plane.
  • This parallel, monochromatic light beam is widened, for example by means of a beam forming optics 11 of cylindrical lenses in the direction perpendicular to the reflection plane, ⁇ so that a "light curtain" is formed.
  • the light beam designed in this way is coupled into a cylindrical prism 12, for example made of BK7 glass.
  • This cylindrical prism is arranged in such a way that a disc, for example also with a BK7 surface, rotates past as a coupling layer 13 at its base.
  • a layer for refractive index adjustment 14 for example silicone oil, is placed between the base of the prism and the rotating disk.
  • a cushion made of silicone rubber between the prism and the rotating disk can also be used to adjust the refractive index.
  • the disk On the side which is arranged opposite the prism, the disk carries a layer of a free electron metal 5, for example gold, and possibly one or more further layers 7, 8, for example glass and dextran. These are modified in accordance with the above statements so that the SPR is a function of the angle of rotation.
  • a free electron metal for example gold
  • further layers 7, 8, for example glass and dextran for example glass and dextran.
  • channels can be extended over a wide angular range. They first serve to functionalize the sensor surface, ie. H. With the help of a certain sequence of chemical reactions, ligands are immobilized on the sensor surface. The samples to be examined can then be applied. As already said, the channels can be extended over a large range of the rotation angle ⁇ . A sequence of different chambers, for example with a sample and buffer solution, is also useful. Where u. U. The arrangement of the complete system can be such that the actual intensity measurement always takes place in an area with buffer solution, since the SPR signal in affinity sensors is always dependent on the optical properties of the medium that is adjacent to the sensitive surface.
  • the reflected light is detected with spatial resolution along the radius r of the rotation, for example with the aid of a photodiode array, a CCD line or a camera.
  • the information on shape and position is now obtained for each individual channel in a time-resolved manner, corresponding to the rotation of the transducer disc. If you are only interested in the position of the SPR, the appropriate determination of the phase (exemplary embodiment according to FIG. 4), the determination of the phase of a periodic SPR signal is sufficient. If enough time is available for the measurement, a step-by-step sampling of the SPR signals from the individual channels is also conceivable. In this way, the synergy with the modern CD player technology is extensive.
  • the exemplary embodiment of an SPR system described with reference to FIG. 6 is suitable for the simultaneous determination of a large number of analytes and, for example, their concentrations.
  • the number of information that can be determined independently depends only on the possibility of generating systems for handling the samples with a sufficient packing density and modifying the surface with a corresponding resolution 14
  • FIG. 7 shows an alternative system which, similar to that from the exemplary embodiment in FIG. 6, obtains the spatial resolution required for the SPR measurement technology according to the invention from the movement of the transducer chip or the transducer disk.
  • This system is particularly characterized by a simple structure.
  • the energy required to move the transducer is low. Low energy is also required to operate the light source 1, the detector 3 and the evaluation and display units.
  • the system can be operated with a battery.
  • the energy can preferably be obtained from the conversion of mechanical energy or from light energy. This enables the device to be operated independently of the mains. Only a few parallel channels are used.
  • the possible movement form here is in particular the linear displacement of the transducer in the direction of the SPR axis, which queries the status of a reaction after a certain time - for example after the equilibrium of the corresponding reaction has been reached.
  • a system can be used, for example, for self-monitoring of patients with diseases in which crisis-related complications can be predicted by monitoring (monitors) certain factors, for example in the serum. This enables the patient to take countermeasures at an early stage.
  • the system includes, in particular, an optical structure in accordance with the exemplary embodiment in FIG. 1. The transducer chip is moved along the y axis.
  • the movement takes place, for example, driven by a spring that is simply tensioned, for example by rotation (restlessness) or by pulling apart or compressing it.
  • a further spring is tensioned, which uses the energy to operate the light sources, the detector and the electronic ones 15
  • the electrical energy for operating the detection system is made available with the aid of a photovoltaic system, a battery or an accumulator for charging via the electrical network.
  • the measurement in different channels is carried out either by multiplying the optical and / or the electrical measuring system or by time-delayed observation of the different channels, or by using a light source which is imaged in a light curtain along the y-axis in accordance with the exemplary embodiment of FIG. 6 and then either time-shifted with a photodetector or simultaneously with the aid of several photodiodes, a photodiode line, a CCD line or an adapted arrangement of photodetectors.
  • the modification of the surface can follow certain continuous functions, as suggested in the previous examples, but can also be step-like. The latter surface modification is particularly useful when a YES / NO answer is required, as is often the case in diagnostic systems.
  • FIGS. 1 to 7 describe the spatially resolved measurement of SPR or technical devices based thereon.
  • the necessary local variations of layers 5, 7 and 8 can be replaced by corresponding reversible temporal modifications.
  • Options for this are, in particular, variations in the refractive index of one or more appropriately designed layers 5, 7 and 8 16
  • the resulting SPR signal is measured in a temporally resolved manner and its shape and position when irradiated with parallel, monochromatic light is determined with respect to the time axis and used as information in corresponding sensor systems.

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Abstract

The invention relates to a surface plasmon resonance transducer, in which the properties of the surface (5) presenting surface plasmon resonance and/or the properties of at least one adjacent area (7, 8) are configured and/or modifiable in such a way that surface plasmon resonance can be measured by way of a spatially and/or time-resolved detection of the intensity of the radiation reflected by the surface.

Description

Bestimmung der Oberflächenplas onen-Resonanz mit Hilfe von örtlich oder zeitlich modifizierten Schichten Determination of the surface plas on resonance with the help of locally or temporally modified layers
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vermessung von Oberflächenplasmonen.The invention relates to a device and a method for measuring surface plasmons.
Die Oberflächenplasmonenresonanz-Spektroskopie (engl. Surface Plasmon Resonance - SPR) beobachtet Änderungen sowohl von Dicke d als auch Brechungindex n einer dünnen Schicht eines Metalles und eventuell auf dieser aufgebrachter Schichten. Oberflächenplasmonen sind kollektive Anregungen der freien Elektronen in einem Metall, die von einem Lichtfeld, das an der Grenze der dünnen Metallschicht reflektiert wird, angeregt werden können. Die Anregung erfolgt dann, wenn sowohl Energie als auch Impuls des einfallenden Lichtfeldes mit dem der Plasmonen übereinstimmt . Die Oberflächenplasmonenresonanz kann somit sowohl mit Hilfe der Variation der Wellenlänge (Energie) des einfallenden Lichtes, 2Surface plasmon resonance (SPR) observes changes in both the thickness d and the refractive index n of a thin layer of a metal and any layers deposited thereon. Surface plasmons are collective excitations of the free electrons in a metal that can be excited by a light field that is reflected at the boundary of the thin metal layer. The excitation occurs when both the energy and the momentum of the incident light field match that of the plasmons. The surface plasmon resonance can thus both with the help of the variation of the wavelength (energy) of the incident light, 2
bei konstantem Winkel (Impuls) als auch durch Variation des Anregungswinkels bei konstanter Wellenlänge beobachtet werden. Beide Prinzipien und Apparaturen zu ihrer Verwendung werden in dem Artikel von Erwin Kretschmann, "Die Bestimmung optischer Konstanten von Metallen durch Anregung von Ober- flächenplasmasc wingungen" , Z. Physik 241, 313 - 314 (1971) beschrieben.can be observed at a constant angle (pulse) and by varying the excitation angle at a constant wavelength. Both principles and equipment for their use are described in the article by Erwin Kretschmann, "The determination of optical constants of metals by excitation of surface plasma vibrations", Z. Physik 241, 313 - 314 (1971).
Die Position der SPR im Spektrum hängt nicht allein von den Eigenschaften der plasmonentragenden Schicht des Freielek- tronenmetalles ab.The position of the SPR in the spectrum does not depend solely on the properties of the plasmon-bearing layer of the free electron metal.
Vielmehr hängt die Position der SPR und auch ihre Form von den optischen Eigenschaften des an die Oberfläche angrenzenden Mediums ab. Diese Eigenschaft wird für die Verwendung der SPR in Sensoren genutzt. Speziell in Biosensoren wird das angrenzende Medium so gestaltet, daß seine optischen Eigenschaften Dicke und Brechungsindex) durch spezifische Adsorption von Analytmolekülen modifiziert werden. Dies geschieht typischerweise dadurch, daß in einer dünnen Schicht, die unspezifische Adsorption verhindert, spezielle Ligand- Moleküle fest gebunden werden. Diese Liganden sind spezifische Bindungspartner für die zu analysierenden Moleküle. Beispielsweise ist ein solches typisches Paar ein Antikörper (Ligand) und das entsprechende Antigen (Analyt) . Auf diese Art und Weise kann mit Hilfe der Verschiebung im Spektrum oder allgemeiner Änderung der SPR auf die Anwesenheit und Konzentration von Analytmolekülen und die Bindungsmechanismen zwischen ihnen und der modifizierten Sensoroberfläche geschlossen werden. Die so erzeugten Sensoren heißen Affini- tätssensoren. Mit ihrer Hilfe kann die Reaktion zwischen Analyt in einer Probenlösung und Ligand zeitaufgelöst vermessen werden. Eine Übersicht zeigt Gunnar Brink, "Selbstorganisierte ultradünne Schichtsysteme auf Basis von Proteinen und Lipidmembrar.en; Erzeugung, Charakterisierung und Anwen- düng in der Bic≡ensorik" , VDI Verlag. 3Rather, the position of the SPR and also its shape depend on the optical properties of the medium adjacent to the surface. This property is used for the use of the SPR in sensors. Particularly in biosensors, the adjacent medium is designed so that its optical properties (thickness and refractive index) are modified by specific adsorption of analyte molecules. This is typically done by firmly binding special ligand molecules in a thin layer that prevents unspecific adsorption. These ligands are specific binding partners for the molecules to be analyzed. For example, such a typical pair is an antibody (ligand) and the corresponding antigen (analyte). In this way, the presence and concentration of analyte molecules and the binding mechanisms between them and the modified sensor surface can be concluded with the aid of the shift in the spectrum or a general change in the SPR. The sensors generated in this way are called affinity sensors. With their help, the reaction between analyte in a sample solution and ligand can be measured in a time-resolved manner. Gunnar Brink provides an overview, "Self-organized ultra-thin layer systems based on proteins and lipid membranes; generation, characterization and application in bicensor systems", VDI Verlag. 3
Die im Stand der Technik beschriebenen Sensoren und die zu Grunde liegenden Verfahren basieren auf der Beobachtung der Verschiebung der SPR entweder im Spektrum des einfallenden Lichtes oder im Anregungswinkel. Dabei hat die Verwendung eines Verfahrens, daß auf der spektralen Vermessung der SPR beruht, den Vorteil, daß der Ortsraum zur Gewinnung zusätzlicher Information zur Verfügung steht. Wird die wellenlängenaufgelöste Messung mit einer ortsaufgelösten Messung verknüpft, läßt sich die Informationsdichte deutlich erhöhen. Der Unterschied entspricht dem zwischen einem Schwarz -Weiß- Bildschirm und einem Farbbildschirm.The sensors described in the prior art and the underlying methods are based on observing the displacement of the SPR either in the spectrum of the incident light or in the excitation angle. The use of a method that is based on the spectral measurement of the SPR has the advantage that the location space is available for obtaining additional information. If the wavelength-resolved measurement is linked to a spatially resolved measurement, the information density can be increased significantly. The difference corresponds to that between a black and white screen and a color screen.
Sowohl die winkel- als auch die wellenlängenaufgelöste Vermessung von SPR benutzt die kontrollierte Veränderung (das Durchstimmen) einer äußeren Größe über die Breite der Reso- nanz oder das Einstrahlen von Licht mit der Breite der Resonanz - spektral, ca. 100 nm oder mehr, winkelaufgelöst, einige Grad - um Veränderungen der SPR zu messen. Diese Verfahren haben den Nachteil, daß sie entweder keine optimale Zeitauflösung, keine optimale Energiedichte oder keines der beiden zur Verfügung stellen können.Both the angular and the wavelength-resolved measurement of SPR use the controlled change (tuning) of an external variable across the width of the resonance or the irradiation of light with the width of the resonance - spectrally, approx. 100 nm or more, angularly resolved , a few degrees - to measure changes in SPR. These methods have the disadvantage that they either cannot provide an optimal time resolution, an optimal energy density or neither of the two.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vermessung von Oberflächenplasmonen bereitzustellen, die eine bessere Zeitauflösung und/oder Energiedichte ermöglicht.The invention has for its object to provide a device and a method for measuring surface plasmons, which enables better time resolution and / or energy density.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst.This object is achieved with the features of the claims.
Ideal unter Aspekten der Zeitauflösung und der Empfindlichkeit ist die Vermessung der SPR mit einem spektral schmal- bandigen, parallelen, konstanten Lichtstrahl hoher Intensität. Damit kann sowohl die zeitliche, als auch die Auflösung bei der Messung von Intensitäten und damit die Sensitivität optimiert werden.Measuring the SPR with a spectrally narrow-band, parallel, constant light beam of high intensity is ideal in terms of time resolution and sensitivity. This means that both the temporal and the resolution when measuring intensities and thus the sensitivity can be optimized.
Der Erfindung liegt der Grundgedanke zugrunde, die Mate- rialeigenschaften derjenigen Bereiche, die an die SPR tragende Oberfläche des SPR-Sensors (Transducers) angrenzen, 4The invention is based on the basic idea that the material properties of those areas which adjoin the surface of the SPR sensor (transducer) carrying the SPR, 4
bzw. sich so nah - +/- 5 μm - an der SPR tragenden Oberfläche befinden, daß sie die SPR signifikant beeinflußen, dergestalt zu modifizieren, daß eine räumlich oder zeitlich aufgelöste Bestimmung der Intensität der von der Oberfläche reflektierten Strahlung die Vermessung der SPR ermöglicht.or so close - +/- 5 μm - to the SPR-bearing surface that they have a significant influence on the SPR, to be modified in such a way that a spatially or temporally resolved determination of the intensity of the radiation reflected from the surface enables the SPR to be measured .
Diese Schichten können das Freielektronenmetall (Metallschicht) oder eine erste auf der Lichteinkopplungs-Seite oder eine zweite auf der Probenseite befindliche (dielektrische) Schicht sein. Die erste und zweite Schicht kann direkt an die Metallschicht angrenzen. Alternativ kann die erste oder zweite Schicht durch eine erste bzw zweite Zwischenschicht oder mehrere Zwischenschichten von der Metallschicht getrennt sein. Ebenso kann die zweite Schicht direkt an das Probenvolumen angrenzen. Es werden in erster Linie Form und Lage der SPR entweder räumlich oder zeitlich beinflußt.These layers can be the free electron metal (metal layer) or a first layer on the light coupling side or a second (dielectric) layer on the sample side. The first and second layers can directly adjoin the metal layer. Alternatively, the first or second layer can be separated from the metal layer by a first or second intermediate layer or a plurality of intermediate layers. The second layer can also directly adjoin the sample volume. The form and location of the SPR are primarily influenced either spatially or temporally.
Die Erfindung ermöglicht die oben geforderte Bestimmung der SPR sowohl mit optimaler zeitlicher (nur bei räumlich aufgelöster Bestimmung) , als auch mit optimaler Intensitätsauflösung. Außerdem besitzt sie den Vorteil, daß gegebenenfalls die übrigen räumlichen Achsen zur Gewinnung weiterer Information genutzt werden können. Dies wird in den Ausführungsbeispielen verdeutlicht. Insbesondere gestattet die Erfindung auch die Kombination von räumlich oder zeitlich aufgelösten Messungen und schmalbandiger spektraler Modulation der Lichtquelle zur Unterdrückung äußerer Störgrößen und Erzielung eines optimalen Signal- zu Rauschen-Verhältnisses. Zur räumlichen Modifikation der Transduceroberflache - genauer: von komplexen Brechnungsindex n, Dicke d oder dem Produkt n*d - stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung. Dabei kann einerseits die dünne Schicht des Freielektronenmetalls entsprechend strukturiert erzeugt oder modifiziert werden, oder auch eine oder mehrere Schichten, die an die Metallschicht mittelbar oder unmittelbar angrenzen. Techniken, die zur Modifikation zur Verfügung stehen, basieren auf der ortsaufgelösten Aufbringung von Material, wie beispielsweise ortsaufgelöste Aufsputterung von Material auf Oberflächen, oder durch Bedrucken, durch gerichtete Eindiffusion von Fremdmaterialien, durch ortsaufgelöste Ionenimplantation, durch ortsaufgelöste fotoinduzierte Bindung oder auch durch gezielte Entfernung von Material von der Oberfläche beispielsweise durch Sputtern oder lithograpische Techniken, Plasmaätzen usw.The invention enables the above-mentioned determination of the SPR both with an optimal temporal (only with spatially resolved determination) and with an optimal intensity resolution. It also has the advantage that the other spatial axes can optionally be used to obtain further information. This is made clear in the exemplary embodiments. In particular, the invention also allows the combination of spatially or temporally resolved measurements and narrow-band spectral modulation of the light source to suppress external disturbance variables and to achieve an optimal signal-to-noise ratio. Various methods are available for spatial modification of the transducer surface - more precisely: of complex refractive index n, thickness d or the product n * d. On the one hand, the thin layer of the free electron metal can be produced or modified in a correspondingly structured manner, or one or more layers which directly or indirectly adjoin the metal layer. Techniques available for modification are based on the spatially resolved application of material, such as spatially resolved sputtering of material on surfaces, or by printing, by directional diffusion of foreign materials, by spatially resolved ion implantation, by spatially resolved photo-induced binding or also by deliberately removing material from the surface, for example by sputtering or lithographic techniques, plasma etching etc.
Eine weitere Möglichkeit zur erfindungsgemäßen räumlichen Modifikation ist die Erzeugung einer stehenden Welle - beispielsweise als Dichtemodifikation auf akustischem Wege - im Bereich des Transducers, der an die SPR-tragende Oberfläche angrenzt .A further possibility for the spatial modification according to the invention is the generation of a standing wave - for example as a density modification in an acoustic way - in the area of the transducer which adjoins the SPR-bearing surface.
Alternativ ist die Verwendung eines Materials an der Grenzfläche, dessen Brechungsindex durch Einstrahlung eines wei- teren Lichtfeldes orts- oder zeitaufgelöst modifiziert werden kann, möglich. Ein solches Material ist beispielsweise ein Farbstoff.Alternatively, it is possible to use a material at the interface whose refractive index can be modified in a spatially or time-resolved manner by irradiation with a further light field. Such a material is, for example, a dye.
Neben der Bestimmung der Oberflächenplasmonenresonanz durch räumliche Modifikation des Transducers, in dem Bereich, der empfindlich auf Form und Lage der SPR wirkt, ist auch die zeitaufgelöste Modifikation dieses Bereiches geeignet, die Detektion von SPR und die darauf basierende Sensorik zu verbessern. Unter zeitaufgelöster Modifikation wird hier ver- standen, die Änderung der Eigenschaften einer oder mehrerer Schichten, in einem SPR-Transducer, die dazu geignet sind, Form und Lage der SPR zu verändern, so durchzuführen, daß diese Änderungen reversibel sind und durch zeitliche Änderung einer äußeren Größe zustande kommen. Beispielsweise kann eine oder mehrere der beschriebenen Schichten oder der ganze Transducer komprimiert oder expandiert werden, oder die Temperatur entsprechender Bereiche kann verändert werden oder ein Lichtfeld wie oben beschrieben kann eingestrahlt werden. Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei- spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert . Es zeigen:In addition to determining the surface plasmon resonance by spatial modification of the transducer in the area that is sensitive to the shape and position of the SPR, the time-resolved modification of this area is also suitable for improving the detection of SPR and the sensors based on it. A time-resolved modification is understood here to mean the change in the properties of one or more layers in an SPR transducer, which are suitable for changing the shape and position of the SPR, in such a way that these changes are reversible and by changing a time external size come about. For example, one or more of the layers described or the entire transducer can be compressed or expanded, or the temperature of corresponding areas can be changed or a light field as described above can be irradiated. The invention is explained below with reference to exemplary embodiments with reference to the drawing. Show it:
Figur la: einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung zurFigure la: a schematic structure of a device for
Vermessung von SPR, Figur lb : eine schematischen Aufbau eines SPR-Sensors mit einer Konfiguration nach Kretschmann zur Anregung von SPR, Figur lc : eine Prinzipdarstellung an einem Ausschnitt einesMeasurement of SPR, Figure lb: a schematic structure of an SPR sensor with a configuration according to Kretschmann for excitation of SPR, Figure lc: a schematic diagram of a section of a
Sensors gemäß Figur lb; Figur ld: eine Diagrammdarstellung der Stärke des elektrischen Feldes E im Grenzbereich Freielektronenmetall 5/Probe 6 ; Figur le : eine schematisch Darstellung eines Schichtaufbaus des auf Gestalt und Lage der SPR wirkenden Trans- ducer-Bereiches ; Figur 2a: eine schematisch Darstellung einer Variation der Schichtdicke d des Freielektronenmetalls 5 in einem SPR-Sensor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; Figur 2b: eine schematisch Darstellung einer Variation der Schichtdicke einer zusätzlichen dielektrischen Schicht 7 zwischen Freielektronenmetall 5 und Probe 6;Sensor according to Figure lb; FIG. 1d: shows a diagram of the strength of the electric field E in the border area free electron metal 5 / sample 6; Figure le: a schematic representation of a layer structure of the transducer area acting on the shape and position of the SPR; FIG. 2a: a schematic representation of a variation of the layer thickness d of the free electron metal 5 in an SPR sensor according to a first embodiment of the invention; FIG. 2b: a schematic representation of a variation in the layer thickness of an additional dielectric layer 7 between free electron metal 5 and sample 6;
Figur 2c : eine Prinzipdarstellung einer Verschiebung eines ortsaufgelösten SPR-Signals; Figur 3 : eine Prinzipdarstellung einer Variation des Brechungsindex n des Freielektronenmetalls 5 oder einer Schicht 7, 8;Figure 2c: a schematic representation of a shift of a spatially resolved SPR signal; FIG. 3 shows a basic illustration of a variation of the refractive index n of the free electron metal 5 or of a layer 7, 8;
Figur 4 : eine Prinzipdarstellung einer zyklischen Variation der optischen Eigenschaften des Freielektronenme- talls 5 oder einer Schicht 7, 8 ; Figur 5a: eine Aufsicht auf einen kreisförmigen Transducer 2 ger.äß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ; Figur 5b: eine schematische Anordnung verschiedener Probenkanäle 10 entlang des Radius r des kreisförmigen Transducers gemäß Figur 5a; Figur 5c: eine Prinzipdarstellung eines SPR-Signals als Funktion des Drehwinkels bei einem Transducer gemäß Figur 5a; Figur 6a: eine perspektivische Ansicht eines Sensors basierend auf der rotationsaufgelösten Messung eines SPR-Signals gemäß einer alternativen Ausführungs- form der Erfindung;FIG. 4 shows a basic illustration of a cyclic variation of the optical properties of the free electron metal 5 or a layer 7, 8; FIG. 5a: a top view of a circular transducer 2 according to a further embodiment of the invention; FIG. 5b: a schematic arrangement of different sample channels 10 along the radius r of the circular transducer according to FIG. 5a; FIG. 5c: a basic representation of an SPR signal as a function of the angle of rotation in a transducer according to FIG. 5a; FIG. 6a: a perspective view of a sensor based on the rotationally resolved measurement of an SPR signal according to an alternative embodiment of the invention;
Figur 6b: einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung zurFigure 6b: a schematic structure of a device for
Vermessung von SPR mit einem Sensor gemäß FigurMeasurement of SPR with a sensor according to the figure
6a;6a;
Figur 7a: eine perspektivische Ansicht eines Sensors mit einer linearen Anordnung zur Bestimmung von Ana- lytkonzentrationen mit Hilfe ortsaufgelöster Messung eines SPR-Signals und Figur 7b: eine Prinzipdarstellung eines SPR-Signals als Funktion des Ortes bei einem Transducer gemäß Fi- gur 7a.7a shows a perspective view of a sensor with a linear arrangement for determining analyte concentrations with the aid of spatially resolved measurement of an SPR signal, and FIG. 7b shows a basic illustration of an SPR signal as a function of the location in a transducer according to FIG. 7a.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.Exemplary embodiments of the invention are described below.
in Figur la wird ein schematischer Aufbau eines optischen Sensors gezeigt. Es wird ein paralleler Lichtstrahl konstanter Wellenlänge aus einer Lichtquelle 1, vorzugsweise ein Laser, z.B. ein Diodenlaser, auf einen SPR-Transducer 2 eingestrahlt . Das vom Transducer abgegebene Licht wird von einem Detektor 3 erfaßt und anschließend von einer Auswerte- einheit (nicht dargestellt) ausgewertet.a schematic structure of an optical sensor is shown in FIG. A parallel light beam of constant wavelength is emitted from a light source 1, preferably a laser, e.g. a diode laser, irradiated onto an SPR transducer 2. The light emitted by the transducer is detected by a detector 3 and then evaluated by an evaluation unit (not shown).
Der Transducer 2 wird beispielsweise wie in Figur lb gezeigt in Kretschmann-Konfiguration verwendet. Der Transducer besteht aus einer Freielektronenmetallschicht 5 auf dessen lichteinkoppelnder Seite ein Glasprisma 4 angeordnet ist. Auf der Probenseite der Metallschicht 5 ist eine Probe 6 angeordnet. Der Lichtstrahl wird von einer Seite des Glaspris- 8The transducer 2 is used, for example, as shown in FIG. 1b in a Kretschmann configuration. The transducer consists of a free electron metal layer 5 on the light-coupling side of which a glass prism 4 is arranged. A sample 6 is arranged on the sample side of the metal layer 5. The light beam is emitted from one side of the glass prism 8th
mas 4, das als einkoppelndes Medium dient, auf die Oberfläche der Metallschicht 5 gerichtet. Das reflektierte Licht wird an einer gegenüberliegenden Seite des Glasprismas 4 ausgegeben. Wie aus Figur lc, die einen Auschnitt von Figur lb zeigt, hervorgeht, kommt es an der Metallschicht 5 zu einer Totalreflexion des Lichtes. In der Metallschicht 5 und der angrenzenden Probe bildet sich ein evaneszentes Feld, welches an der gegenüberliegenden Seite der Metallschicht Oberflä- chenplasmonen anregt. Der entsprechende Feldverlauf der Oberflächenplasmonen ist in Figur ld gezeigt . Unter bestimmten Bedingungen kommt es zu einer Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) . Abhängig von den Verhältnissen an der Probenseite ändert sich diese SPR. Diese Änderung wird für Auswer- tung der Probe verwendet.mas 4, which serves as a coupling medium, directed onto the surface of the metal layer 5. The reflected light is output on an opposite side of the glass prism 4. As can be seen from FIG. 1c, which shows a section of FIG. 1b, there is a total reflection of the light on the metal layer 5. An evanescent field is formed in the metal layer 5 and the adjacent sample, which excites surface plasmons on the opposite side of the metal layer. The corresponding field course of the surface plasmons is shown in FIG. 1d. Surface plasmon resonance (SPR) occurs under certain conditions. This SPR changes depending on the conditions on the sample side. This change is used for the evaluation of the sample.
Wie in Figur le dargestellt, kann der Transducer 2 aus mehreren übereinanderangeordneten Schichten bestehen. Auf der lichteinkoppelnden Seite ist eine erste dielektrische Schicht 7 angeordnet, die direkt oder wie dargestellt über eine oder mehrere erste Zwischenschichten 7a an der Metallschicht 5 angrenzt. In gleicher Weise ist an der Probenseite eine zweite Schicht 8 direkt angrenzend oder durch eine oder mehrere zweite Zwischenschichten 8a getrennt angeordnet.As shown in FIG. 1e, the transducer 2 can consist of several layers arranged one above the other. A first dielectric layer 7 is arranged on the light-coupling side, and adjoins the metal layer 5 directly or as shown via one or more first intermediate layers 7a. In the same way, a second layer 8 is arranged directly adjacent to the sample side or separated by one or more second intermediate layers 8a.
Der Aufbau oder die Oberfläche des erfindungsgemäßen Transducers ist dergestalt, daß entlang mindestens einer seiner Achsen die Dicke mindestens einer der Schichten variiert . Die übrigen Schichten sind jeweils gleichmäßig dick. Alternativ oder zusätzlich variiert der Brechungsindex bei minde- stens einer der genannten Schichten.The structure or the surface of the transducer according to the invention is such that the thickness of at least one of the layers varies along at least one of its axes. The remaining layers are equally thick. Alternatively or additionally, the refractive index varies in at least one of the layers mentioned.
Figur 2a zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Transducers gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei diesem SPR-Sen- sor variiert die Dicke der Schicht des Freielektronenmetalls 5 in y-Richtung. In dem Beispiel nimmt die Dicke von links (von der ersten Seite der Prismas) nach rechts (zu der zweiten Seite des Prismas) gesehen linear von 40 auf 50 nm zu. Als Freielektronenmetall wird beispielsweise Gold oder Silber verwendet .Figure 2a shows a preferred embodiment of a transducer according to the present invention. With this SPR sensor, the thickness of the layer of free electron metal 5 varies in the y direction. In the example, the thickness increases linearly from 40 to 50 nm from the left (from the first side of the prism) to the right (to the second side of the prism). Gold or silver, for example, is used as the free electron metal.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, die in Figur 2b gezeigt ist, varriert die Dicke einer auf der Probenseite einer Goldschicht 5 befindlichen dünnen Glasschicht 8 in y-Richtung des Transducers . Bei dem Beispiel ändert sich die Dicke linear von 20 auf 100 nm. Die Dicke der Goldschicht 5 ist bei diesem Beispiel einheitlich. Alternativ kann die Dicke der Goldschicht ebenfalls variieren.In an alternative embodiment of the invention, which is shown in FIG. 2b, the thickness of a thin glass layer 8 located on the sample side of a gold layer 5 varies in the y-direction of the transducer. In the example, the thickness changes linearly from 20 to 100 nm. The thickness of the gold layer 5 is uniform in this example. Alternatively, the thickness of the gold layer can also vary.
Die Intensität des von der Transduceroberflache reflektierten Lichtes wird mit einem Detektor 3 gemessen, der so gestaltet ist, daß er mindestens in einer Dimension ortsaufge- löste Messungen gestattet. Der Detektor ist beispielsweise ein Photodiodenarray, das in y-Richtung angeordnet wird. Das resultierende Signal ist eine ortsaufgelöste SPR. Ändern sich die optischen Eigenschaften der an die Goldschicht (Figur 2a) oder an die Glasschicht (Figur 2b) angrenzenden Schicht 6, verschiebt sich die SPR wie in Figur 2 c schematisch dargestellt. Die Verschiebung ist beispielsweise ein Maß für die in der angrenzenden Schicht gebundenen Analytatome .The intensity of the light reflected from the transducer surface is measured with a detector 3, which is designed in such a way that it permits measurements with spatial resolution in at least one dimension. The detector is, for example, a photodiode array that is arranged in the y direction. The resulting signal is a spatially resolved SPR. If the optical properties of the layer 6 adjoining the gold layer (FIG. 2a) or the glass layer (FIG. 2b) change, the SPR shifts as shown schematically in FIG. 2c. The shift is, for example, a measure of the analyte atoms bound in the adjacent layer.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Der optische Aufbau entspricht dem Ausführungsbeispiel von Figur lb . Die Transducer-Oberflache ist so gestaltet, daß der Brechungsindex n der Schicht des Freielektronenmetalls 5 oder einer anderen Schicht 7, 8 entlang einer Transducer- achse, wie im Diagramm dargestellt, zunimmt. Das resultierende Signal ist wie in den Ausführungsbeispielen von Figur 2a und 2b eine ortsaufgelöste SPR. Eine Kombination der Ausführungsbeispiele von Figur 2a bzw. 2b mit dem von Figur 3, bei der die optischen Eigenschaf en dem Produkt aus Dicke d und Brechungsir.dex n entsprechen, führt zu einem entsprechenden Effekt. 10Figure 3 shows a further embodiment of the invention. The optical structure corresponds to the exemplary embodiment in FIG. 1b. The transducer surface is designed such that the refractive index n of the layer of free electron metal 5 or another layer 7, 8 increases along a transducer axis, as shown in the diagram. As in the exemplary embodiments in FIGS. 2a and 2b, the resulting signal is a spatially resolved SPR. A combination of the exemplary embodiments of FIGS. 2a and 2b with that of FIG. 3, in which the optical properties correspond to the product of thickness d and refractive index.dex n, leads to a corresponding effect. 10
In dem Ausführungsbeispiel von Figur 4 erfolgt die Variation der optischen Eigenschaften d*n der plasmonen-tragenden Schicht 5 oder einer anderen Schicht 7, 8 zyklisch. Das Produkt n*d gibt die Variation der Dicke d und/oder des Bre- chungsindex n an, die in y-Richtung des Transducers vorhanden ist. Die Amplitude der zyklischen Modifikation der optischen Eigenschaften ist vorzugsweise gerade so groß, daß in einer Periode die komplette SPR überstrichen wird. Diese zyklische Variation kann z.B. entsprechend einer sägezahn- förmigen Funktion, einer Dreiecks-Funktion, einer Sinusfunktion oder beispielsweise einer Funktion sein, die das Ober- flächenplasmon auf eine der genannten Funktionen abbildet.In the exemplary embodiment in FIG. 4, the optical properties d * n of the plasmon-bearing layer 5 or another layer 7, 8 are varied cyclically. The product n * d indicates the variation in the thickness d and / or the refractive index n that is present in the y-direction of the transducer. The amplitude of the cyclic modification of the optical properties is preferably just large enough to sweep the entire SPR in one period. This cyclic variation can e.g. corresponding to a sawtooth-shaped function, a triangular function, a sine function or, for example, a function which maps the surface plasmon to one of the functions mentioned.
Das zugrunde liegende Koordinatensystem ist nicht unbedingt ein rechtwinkliges, wie in Figuren 1 bis 4 angegeben. Es kann beispielsweise auch eine kreisförmiger Transducer verwendet werden - Figur 5a. Dann ist die entsprechende Koordinate in den obenbeschriebenen Ausführungsbeispielen nicht mehr y sondern der Drehwinkel und die ortsaufgelöste Mes- sung der Intensität mit Hilfe einer Diodenzeile oder einer Kamera kann durch Detektion mit einer Photodiode und gleichzeitige Drehung des kreisförmigen Transducers erfolgen. Ein solcher Aufbau ist in Figur 5a gezeigt. Die Rotation kann gleichförmig oder auch stufenweise erfolgen. Bei gleichför- miger Rotation und zum Beispiel einer Oberfläche, die so gestaltet ist, daß bei einer vollständigen Drehung das Plasmon gerade auf eine Periode einer Sinusfunktion abgebildet wird, kann das Signal ' der Photodiode gerade bei der Rotationsfrequenz ausgelesen werden. Eine Verschiebung der SPR kann dann beispielsweise als Phasenverschiebung gemessen werden. Vorzugsweise wird dazu gleichzeitig mit dem eigentlichen Meßsignal ein Referenzsignal konstanter Phase aufgenommen und mit Hilfe einer PLL-Schaltung (Phase Locked Loop) ein Vergleich durchgeführt. Wie bereits oben gesagt kann die zweite Dimension der Trans- ducer-Oberflache dazu verwendet werden, weitere Informationen über die zu untersuchende Probe zu liefern. Beispiels- 11The underlying coordinate system is not necessarily a rectangular one, as shown in Figures 1 to 4. For example, a circular transducer can also be used - FIG. 5a. Then the corresponding coordinate in the exemplary embodiments described above is no longer y but the angle of rotation and the spatially resolved measurement of the intensity with the aid of a diode line or a camera can be carried out by detection with a photodiode and simultaneous rotation of the circular transducer. Such a structure is shown in Figure 5a. The rotation can be uniform or stepwise. In gleichför- miger rotation and for example, a surface which is designed such that the plasmon is being mapped to a period of a sine function in a complete rotation, the signal 'of the photodiode can be read out just when the rotation frequency. A shift in the SPR can then be measured, for example, as a phase shift. For this purpose, a reference signal of constant phase is preferably recorded simultaneously with the actual measurement signal and a comparison is carried out with the aid of a PLL circuit (phase locked loop). As already mentioned above, the second dimension of the transducer surface can be used to provide further information about the sample to be examined. Example 11
weise kann entlang der x-Achse (siehe Figur lb) oder des Radius r (siehe Figur 5b) in einem Affinitätssensor unterschiedliche Liganden für verschiedene Analyte oder Liganden unterschiedlicher Affinität für einen oder mehrere Analyte aufgebracht werden. Beispielsweise kann aber auch die Konzentration der Liganden an der Oberfläche entlang der x- Achse oder von r variiert werden. Ebenso kann eine Anzahl verschiedener Probenkanäle, die entsprechend verlaufen (in Figur 5b in Form von konzentrischen Kreisen) , mit verschie- denen Proben verwendet werden.Different ligands for different analytes or ligands of different affinity for one or more analytes can be applied in a affinity sensor along the x-axis (see FIG. 1b) or the radius r (see FIG. 5b). For example, the concentration of the ligands on the surface can also be varied along the x-axis or from r. Likewise, a number of different sample channels, which run correspondingly (in the form of concentric circles in FIG. 5b), can be used with different samples.
Entsprechend den obigen Ausführung und den dort beschriebenen Verfahren und allgemeinen Ausführungsformen können insbesondere sehr stark vereinfachte Affinitätssensoren reali- siert werden. Insbesondere können völlig neuartige Geräte für die Verwendung als diagnostische Affinitätssensoren realisiert werden. Zwei dieser Geräte werden im folgenden als bevorzugte Aus ührungsformen der Erfindung mit Bezugnahme auf die Figuren 6 und 7 beschrieben.In accordance with the above embodiment and the methods and general embodiments described there, very greatly simplified affinity sensors can be implemented. In particular, completely new devices can be implemented for use as diagnostic affinity sensors. Two of these devices are described below as preferred embodiments of the invention with reference to FIGS. 6 and 7.
Das hier beschriebene und in Figur 6 schematisch gezeigte Gerät basiert auf der Verwendung einer kreisförmigen Trans- ducer-Oberflache mit konzentrischen halbkreisförmigen Probenkanälen 10. Als Lichtquelle 1 dient eine Laserdiode oder beispielsweise eine Leuchtdiode, deren spektrale Breite durch Verwendung eines optischen Filters eingeschränkt wird oder irgendeine andere Lichtquelle mit einer spektralen Breite, die klein gegenüber der spektralen Breite des Ober- flächenplasmons bei konstantem Einfallswinkel des anregenden Lichtes ist oder eine Lichtquelle, die mit einem spektralen Filter, wie einem Monochromator versehen ist. Bei einer Re- sonanzwellenlänge von ca. 780 nm, einer ca. 50 nm dicken, ebenen Goldschicht als Transducer-Oberflache und entsprechendem Einstrahlungswinkel ist die SPR ca. 100 nm breit (2*FWHM - Füll Width Half Minimum) . Eine LED in diesem Wellenlängenbereich mit einer spektralen Breite des abgestrahlten Lichtes von ca 15 nm - 30 nm ist bereits klein genug um 12The device described here and shown schematically in FIG. 6 is based on the use of a circular transducer surface with concentric semicircular sample channels 10. A laser diode or, for example, a light-emitting diode serves as light source 1, the spectral width of which is restricted by the use of an optical filter or any other another light source with a spectral width that is small compared to the spectral width of the surface plasmon with a constant angle of incidence of the exciting light, or a light source that is provided with a spectral filter, such as a monochromator. With a resonance wavelength of approx. 780 nm, an approx. 50 nm thick, flat gold layer as transducer surface and the corresponding radiation angle, the SPR is approx. 100 nm wide (2 * FWHM - Fill Width Half Minimum). An LED in this wavelength range with a spectral width of the emitted light of approx. 15 nm - 30 nm is already small enough 12
eine entsprechende Vermessung des Oberflächenplasmons zu ermöglichen.to enable a corresponding measurement of the surface plasmon.
Für eine höhere Genauigkeit der Vermessung der SPR wird vorzugsweise eine wesentlich schmalbandigere Lichtquelle ver- wendet. Eine solche Lichtquelle ist eine Laserdiode, die bei der genannten Wellenlänge mit einer spektralen Breite von ca. 1 pm oder weniger leuchtet. Das eingestrahlte Licht wird möglichst parallel aufgebracht. Vorzugsweis ist das Maß für eine tolerierbare Abweichung von der Parallelität die Breite der SPR im Winkelraum bei konstanter Wellenlänge des einfallenden Lichtes. Diese Breite beträgt bei den o. g. Bedingungen ca. 2 Winkelgrad, so daß ein Lichtstrahl einen Konvergenz- bzw. Divergenzwinkel von ca. 0,5° oder weniger aufweisen sollte. Die geforderte Parallelität bezieht sich auf den Einstrahlwinkel in der Reflektionsebene . Dieser parallele, monochromatische Lichtstrahl wird beispielsweise mit Hilfe einer Strahlformungsoptik 11 aus Zylinderlinsen in der Richtung senkrecht zur Reflektionsebene aufgeweitet, ~so daß ein "Lichtvorhang" entsteht. Der so gestaltete Lichtstrahl wird in ein Zylinderprisma 12 beispielsweise aus BK7-Glas eingekoppelt. Dieses Zylinderprisma ist so angeordnet, daß an seiner Basis eine Scheibe beispielsweise ebenfalls mit einer BK7 -Oberflache als Kopplungsschicht 13 rotierend vorbeistreicht. Zwischen der Basis des Prismas und der ro- tierenden Scheibe ist eine Schicht zur Brechungsindexanpas- sung 14 beispielsweise Silikonöl gebracht. Statt einer Flüssigkeit kann beispielsweise auch ein Kissen aus Silikonkautschuk zwischen Prisma und rotierender Scheibe zur Brechungsindexanpassung verwendet werden. Auf der Seite, die dem Prisma gegenüberliegend angeordnet ist, trägt die Scheibe eine Schicht eines Freielektronenmetalls 5 beispielsweise Gold und möglicherweise einer oder mehrerer weiterer Schichten 7, 8 beispielsweise Glas und Dextran. Diese sind entsprechend der obigen Ausführungen so modifiziert, daß die SPR eine Funktion des Rotationswinkels ist. Entlang des Radius dieser Scheibe sind gegenüber des Prismas Kammern oder Kanäle 10 angeordnet, die verschiedene Proben 6 13For a higher accuracy of the measurement of the SPR, a much narrower band light source is preferably used. Such a light source is a laser diode that shines at the wavelength mentioned with a spectral width of approximately 1 pm or less. The incident light is applied as parallel as possible. The measure for a tolerable deviation from parallelism is preferably the width of the SPR in the angular space at a constant wavelength of the incident light. Under the above conditions, this width is approximately 2 degrees, so that a light beam should have a convergence or divergence angle of approximately 0.5 ° or less. The required parallelism relates to the angle of incidence in the reflection plane. This parallel, monochromatic light beam is widened, for example by means of a beam forming optics 11 of cylindrical lenses in the direction perpendicular to the reflection plane, ~ so that a "light curtain" is formed. The light beam designed in this way is coupled into a cylindrical prism 12, for example made of BK7 glass. This cylindrical prism is arranged in such a way that a disc, for example also with a BK7 surface, rotates past as a coupling layer 13 at its base. A layer for refractive index adjustment 14, for example silicone oil, is placed between the base of the prism and the rotating disk. Instead of a liquid, for example, a cushion made of silicone rubber between the prism and the rotating disk can also be used to adjust the refractive index. On the side which is arranged opposite the prism, the disk carries a layer of a free electron metal 5, for example gold, and possibly one or more further layers 7, 8, for example glass and dextran. These are modified in accordance with the above statements so that the SPR is a function of the angle of rotation. Along the radius of this disk, chambers or channels 10 are arranged opposite the prism, the various samples 6 13
enthalten. Diese Kanäle können über einen großen Winkelbereich ausgedehnt sein. Sie dienen zunächst der Funktionali- sierung der Sensoroberfläche, d. h. mit Hilfe einer bestimmten Abfolge chemischer Reaktionen werden Liganden an der Sensoroberfläche immobilisiert. Anschließend können die zu untersuchenden Proben aufgebracht werden. Wie bereits gesagt können die Kanäle über einen großen Bereich des Rotationswinkels Φ ausgedehnt sein. Sinnvoll ist aber auch eine Abfolge von verschiedenen Kammern beispielsweise mit Probe und Pufferlösung. Wobei u. U. die Anordnung des kompletten Systems dergestalt sein kann, daß die eigentliche Intensitätsmessung immer in einem Bereich mit Pufferlösung geschieht, da das SPR-Signal in Affinitätssensoren immer auch abhängig ist, von den optischen Eigenschaften des Mediums, das an die sensitive Oberfläche angrenzt. Das reflektierte Licht wird entlang des Radius r der Rotation ortsaufgelöst detektiert, beispielsweise mit Hilfe eines Photodioden- arrays, einer CCD-Zeile oder einer Kamera. Die Information über Form und Lage erhält man nun für jeden einzelnen Kanal zeitaufgelöst, entsprechend der Rotation der Transducer- Scheibe . Ist man nur an der Lage der SPR interessiert, ist bei entsprechender Gestaltung der Oberfläche (Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4) die ausschließliche Bestimmung der Phase eines periodischen SPR-Signals ausreichend. Steht zur Messung genügend Zeit zur Verfügung, ist auch eine schrittweise Abtastung der SPR-Signale aus den einzelnen Kanälen denkbar. Auf diese Weise ist die Synergie mit der modernen CD-Player-Technclogie umfassend.contain. These channels can be extended over a wide angular range. They first serve to functionalize the sensor surface, ie. H. With the help of a certain sequence of chemical reactions, ligands are immobilized on the sensor surface. The samples to be examined can then be applied. As already said, the channels can be extended over a large range of the rotation angle Φ. A sequence of different chambers, for example with a sample and buffer solution, is also useful. Where u. U. The arrangement of the complete system can be such that the actual intensity measurement always takes place in an area with buffer solution, since the SPR signal in affinity sensors is always dependent on the optical properties of the medium that is adjacent to the sensitive surface. The reflected light is detected with spatial resolution along the radius r of the rotation, for example with the aid of a photodiode array, a CCD line or a camera. The information on shape and position is now obtained for each individual channel in a time-resolved manner, corresponding to the rotation of the transducer disc. If you are only interested in the position of the SPR, the appropriate determination of the phase (exemplary embodiment according to FIG. 4), the determination of the phase of a periodic SPR signal is sufficient. If enough time is available for the measurement, a step-by-step sampling of the SPR signals from the individual channels is also conceivable. In this way, the synergy with the modern CD player technology is extensive.
Das mit Bezug auf Figur 6 beschriebene Ausführungsbeispiel eines SPR-Systems eignet sich zur simultanen Bestimmung einer Vielzahl von Analyten und beispielsweise ihrer Konzentrationen. Die Zahl der unabhängig ermittelbaren Information hängt lediglich von der Möglichkeit ab, Systeme zur Handha- bung der Proben mit genügender Packungsdichte zu erzeugen, die Oberfläche mit entsprechender Auflösung modifizieren zu 14The exemplary embodiment of an SPR system described with reference to FIG. 6 is suitable for the simultaneous determination of a large number of analytes and, for example, their concentrations. The number of information that can be determined independently depends only on the possibility of generating systems for handling the samples with a sufficient packing density and modifying the surface with a corresponding resolution 14
können und eine entsprechende Ortsauflösung für die optische Detektion zur Verfügung zu stellen.can and provide a corresponding spatial resolution for optical detection.
In Figur 7 ist ein alternatives System gezeigt, welches ähnlich, wie das aus dem Ausführungsbeispiel von Figur 6 die notwendige Ortsauflösung für die erfindungsgemäße SPR-Meß- technik aus der Bewegung des Transducer-Chips oder der Transducer-Scheibe gewinnt. Dieses System zeichnet sich insbesondere durch einen einfachen Aufbau aus. Außerdem ist die erforderliche Energie für die Bewegung des Transducers gering. Zum Betreiben der Lichtquelle 1, des Detektors 3 und der Auswerte- und Anzeigeeinheiten ist ebenfalls eine geringe Energie erforderlich. Das System kann mit einer Batterie betrieben werden. Vorzugsweise kann die Energie aus der Umsetzung von mechanischer oder aus Lichtenergie gewonnen werden. Dies ermöglicht den netzunabhängigen Betrieb des Gerätes. Es werden nur wenige parallele Kanäle verwendet. Als mögliche Bewegungsform kommt hier neben der Rotation des Transducers 2 insbesondere die lineare Verschiebung des Transducers in Richtung der SPR-Achse in Frage, die den Status einer erfolgten Reaktion nach einer bestimmten Zeit - beispielsweise nach Erreichen des Gleichgewichts der entsprechenden Reaktion - abfragt. Ein solches System kann beispielsweise zur Selbstüberwachung von Patienten mit Krank- heiten verwendet werden, bei denen krisenhafte Komplikationen durch Überwachen (Monitoren) bestimmter Faktoren beispielsweise im Serum vorhergesagt werden können. Damit kann der Patient entsprechend frühzeitig gegensteuern. Das System beinhaltet insbesondere einen optischen Aufbau entsprechend dem Ausführungsbeispiel von Figur 1. Der Trans- ducer-Chip wird entlang der y-Achse bewegt. Die Bewegung erfolgt beispielsweise getrieben von einer Feder, die einfach, beispielsweise durch Drehung (Unruhe) oder durch Auseinanderziehen oder Zusammendrücken gespannt wird. Beispiels- weise wird mit der gleichen Bewegung oder einer zweiten Bewegung eine weitere Feder gespannt, die die Energie zum Betrieb der Lichtαuelle, des Detektors, und der elektronischen 15FIG. 7 shows an alternative system which, similar to that from the exemplary embodiment in FIG. 6, obtains the spatial resolution required for the SPR measurement technology according to the invention from the movement of the transducer chip or the transducer disk. This system is particularly characterized by a simple structure. In addition, the energy required to move the transducer is low. Low energy is also required to operate the light source 1, the detector 3 and the evaluation and display units. The system can be operated with a battery. The energy can preferably be obtained from the conversion of mechanical energy or from light energy. This enables the device to be operated independently of the mains. Only a few parallel channels are used. In addition to the rotation of the transducer 2, the possible movement form here is in particular the linear displacement of the transducer in the direction of the SPR axis, which queries the status of a reaction after a certain time - for example after the equilibrium of the corresponding reaction has been reached. Such a system can be used, for example, for self-monitoring of patients with diseases in which crisis-related complications can be predicted by monitoring (monitors) certain factors, for example in the serum. This enables the patient to take countermeasures at an early stage. The system includes, in particular, an optical structure in accordance with the exemplary embodiment in FIG. 1. The transducer chip is moved along the y axis. The movement takes place, for example, driven by a spring that is simply tensioned, for example by rotation (restlessness) or by pulling apart or compressing it. For example, with the same movement or a second movement, a further spring is tensioned, which uses the energy to operate the light sources, the detector and the electronic ones 15
Auswerte- und Anzeigeeinrichtungen zur Verfügung stellt. Alternativ wird die elektrische Energie zum Betrieb des Detek- tionssystems mit Hilfe eines photovoltaischen Systems, einer Batterie oder eines Akkumulators zur Ladung über das elek- trische Netz zur Verfügung gestellt.Provides evaluation and display facilities. Alternatively, the electrical energy for operating the detection system is made available with the aid of a photovoltaic system, a battery or an accumulator for charging via the electrical network.
Die Messung in verschiedenen Kanälen erfolgt entweder durch Vervielfachung des optischen und/oder des elektrischen Meßsystems oder durch zeitversetzte Beobachtung der verschiedenen Kanäle, oder durch Verwendung einer Lichtquelle die entsprechend dem Ausführungsbeispiel von Figur 6 in einen Lichtvorhang entlang der y-Achse abgebildet wird und dann entweder zeitversetzt mit einem Photodetektor oder simultan mit Hilfe mehrerer Photodioden, einer Photodiodenzeile, einer CCD-Zeile oder einer angepaßten Anordnung von Photode- tektoren vermessen wird. Die Modifikation der Oberfläche kann wie in den bisherigen Beispielen vorgeschlagen, bestimmten kontinuierlichen Funktionen folgen, aber auch stufenförmig sein. Letztere Oberflächenmodifikation ist insbesondere dann mit großem Nutzen einsetzbar, wenn eine JA/NEIN-Antwort gefordert wird, wie dies häufig der Fall in diagnostischen Systemen ist. Ein Teil der Oberfläche (A) ist so gestaltet, daß im Normalzustand die reflektierte Intensität minimal (klein) ist, dagegen in einem anderen Teil der Oberfläche (B) die reflektierte Intensität groß ist - A=0, B=l -. Weicht der Zustand nun stark von der Normalität ab, wird die Intensität bei A groß und bei B klein A=l, B=0. Unter Umständen können auch die Zustände A=0, B=0 und A=l, B=l zur Darstellung von Information genutzt werden.The measurement in different channels is carried out either by multiplying the optical and / or the electrical measuring system or by time-delayed observation of the different channels, or by using a light source which is imaged in a light curtain along the y-axis in accordance with the exemplary embodiment of FIG. 6 and then either time-shifted with a photodetector or simultaneously with the aid of several photodiodes, a photodiode line, a CCD line or an adapted arrangement of photodetectors. The modification of the surface can follow certain continuous functions, as suggested in the previous examples, but can also be step-like. The latter surface modification is particularly useful when a YES / NO answer is required, as is often the case in diagnostic systems. Part of the surface (A) is designed so that in the normal state the reflected intensity is minimal (small), whereas in another part of the surface (B) the reflected intensity is large - A = 0, B = 1 -. If the state now deviates strongly from normality, the intensity becomes large at A and small at B A = 1, B = 0. Under certain circumstances, the states A = 0, B = 0 and A = 1, B = 1 can also be used to display information.
Die Ausführungsbeispiele gemäß den Figuren 1 bis 7 beschreiben die orstaufgelöste Messung von SPR beziehungsweise darauf beruhender technischer Geräte. Entsprechend dem bereits oben gesagten können die dazu notwendigen örtlichen Variationen der Schichten 5, 7 und 8 durch entsprechende reversi- ble zeitliche Modifikationen ersetzt werden. Möglichkeiten dazu sind insbesondere Brechungsindexvariationen einer oder mehrerer entsprechend gestalteter Schichten 5, 7 und 8 durch 16The exemplary embodiments according to FIGS. 1 to 7 describe the spatially resolved measurement of SPR or technical devices based thereon. In accordance with what has already been said above, the necessary local variations of layers 5, 7 and 8 can be replaced by corresponding reversible temporal modifications. Options for this are, in particular, variations in the refractive index of one or more appropriately designed layers 5, 7 and 8 16
Einstrahlung starker Lichtfelder, Einkopplung von Dichtefluktuationen oder Temperaturänderungen. Das resultierende SPR-Signal wird entsprechend zeitlich aufgelöst gemessen und seine Form und Lage bei Bestrahlung mit parallelem, monochromatischen Licht bezüglich der Zeitachse bestimmt und als Information in entsprechenden Sensorsystemen verwendet. Irradiation of strong light fields, coupling of density fluctuations or temperature changes. The resulting SPR signal is measured in a temporally resolved manner and its shape and position when irradiated with parallel, monochromatic light is determined with respect to the time axis and used as information in corresponding sensor systems.
1717
BezugszeichenlisteReference list
5 1. Lichtquelle5 1. Light source
2. Transducer2. Transducer
3. Detektor3. Detector
4. Einkoppelndes Medium 5. Freielektronenmetall4. Coupling medium 5. Free electron metal
10 6. Probe10 6th rehearsal
7. Dielektrische Schicht (lichteinkopplungsseitig) 7a. Zwischenschichten (lichteinkopplungsseitig)7. Dielectric layer (light coupling side) 7a. Intermediate layers (light coupling side)
8. Dielektrische Schicht (probenseitig) 8a. Zwischenschichten (probenseitig)8. Dielectric layer (sample side) 8a. Intermediate layers (sample side)
I5 9. Kreisförmiger TransducerI 5 9. Circular transducer
10. Probenkanäle10. Sample channels
11. Strahlformungsoptik11. Beam shaping optics
12. Zylinderprisma12. Cylinder prism
13. Koppelschicht13. Coupling layer
20 14. Brechungsindex anpassende Schicht20 14. Refractive index matching layer
2525
3030
35 35

Claims

18Patentansprüche 18 patent claims
1. Oberflächenplasmonenresonanz-Transducer/ in dem die Eigenschaften der Oberflächenplasmonenresonanz tragenden Oberfläche (5) und/oder die Eigenschaften mindestens eines benachbarten Bereiches (7, 8) derart ausgebildet und/oder veränderbar sind, daß durch eine räumlich und/oder zeitlich aufgelöste Bestimmung der Intensität der von der Oberfläche reflektierten Strahlung die Oberflächenplasmonenresonanz meßbar ist.1. Surface plasmon resonance transducer / in which the properties of the surface plasmon resonance-bearing surface (5) and / or the properties of at least one adjacent area (7, 8) are designed and / or changeable such that the spatial and / or temporally resolved determination of the Intensity of the radiation reflected from the surface, the surface plasmon resonance is measurable.
2. Transducer nach Anspruch 1, wobei der benachbarte Bereich in einem Abstand von bis +/- 5μm von der Oberfläche, die die Oberflächenplasmonenresonanz trägt, liegt oder daran angrenzt .2. Transducer according to claim 1, wherein the adjacent region is at a distance of up to +/- 5μm from the surface which carries the surface plasmon resonance, or is adjacent thereto.
3. Transducer nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Material- eigenschaften der Oberflächenplasmonenresonanz tragenden Oberfläche (5) und/oder des benachbarten Bereiches derart veränderbar sind, daß Form und Lage der Oberflächenplasmonenresonanz räumlich und/oder zeitlich beeinflußbar sind.3. Transducer according to claim 1 or 2, wherein the material properties of the surface plasmon resonance-bearing surface (5) and / or the adjacent region can be changed such that the shape and position of the surface plasmon resonance can be spatially and / or temporally influenced.
4. Transducer nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Oberflächenplasmonenresonanz tragende Oberfläche eine Metallschicht (5) aufweist und der benachbarte Bereich mindestens eine Schicht (7, 8) aufweist.4. Transducer according to one of the preceding claims, wherein the surface plasmon resonance-bearing surface has a metal layer (5) and the adjacent region has at least one layer (7, 8).
5. Transducer nach Anspruch 4, wobei mindestens eine Schicht (7) auf der Lichteinkopplungs-Seite des Transducers und/oder mindestens eine Schicht (8) auf der Probenseite des Transducers angeordnet ist.5. Transducer according to claim 4, wherein at least one layer (7) on the light coupling side of the transducer and / or at least one layer (8) is arranged on the sample side of the transducer.
6. Transducer nach Anspruch 5, wobei zwischen der Metall- schicht (5) und einer ersten Schicht (7) auf der Licht- einkopplungs-Seite mindestens eine erste Zwischenschicht 196. Transducer according to claim 5, wherein at least a first intermediate layer between the metal layer (5) and a first layer (7) on the light coupling side 19
(7a) angeordnet ist, und/oder zwischen der Metallschicht (5) und einer zweiten Schicht (8) auf der Probenseite mindestens eine zweite Zwischenschicht (8a) angeordnet ist .(7a) is arranged, and / or at least one second intermediate layer (8a) is arranged between the metal layer (5) and a second layer (8) on the sample side.
7. Transducer nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Metallschicht (5) ein Freielektronenmetall, vorzugsweise Gold oder Silber, aufweist.7. Transducer according to claim 5 or 6, wherein the metal layer (5) comprises a free electron metal, preferably gold or silver.
8. Transducer nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste oder zweite Schicht (7, 8) und/oder die erste oder zweite Zwischenschicht (7a, 8a) eine SiOx Schicht8. Transducer according to one of the preceding claims, wherein the first or second layer (7, 8) and / or the first or second intermediate layer (7a, 8a) is a SiOx layer
(0 ≤ x ≤ 2) , insbesondere eine Glasschicht ist.(0 ≤ x ≤ 2), in particular a glass layer.
9. Transducer nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei mindestens eine Schicht des Transducers in mindestens einer Richtung einen sich ändernden komplexen Brechungsindex n aufweist .9. Transducer according to one of claims 4 to 8, wherein at least one layer of the transducer has a changing complex refractive index n in at least one direction.
10. Transducer nach einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei mindestens eine Schicht des Transducers eine sich in mindestens einer Richtung ändernde Dicke d aufweist .10. Transducer according to one of claims 4 to 9, wherein at least one layer of the transducer has a thickness d that changes in at least one direction.
11. Transducer nach einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei die Dicke der Metallschicht (5) in mindestens einer Richtung des Transducers variiert, vorzugsweise in mindestens einem Abschnitt die Dicke in mindestens einer Richtung des Transducers zunimmt , und besonders bevorzugt die Dicke der Metallschicht in mindestens einer Richtung von beispielsweise 40 auf 50 nm linear zunimmt.11. Transducer according to one of claims 4 to 10, wherein the thickness of the metal layer (5) varies in at least one direction of the transducer, preferably in at least one section the thickness increases in at least one direction of the transducer, and particularly preferably the thickness of the metal layer in linearly increases in at least one direction from, for example, 40 to 50 nm.
12. Transducer nach einem der Ansprüche 4 bis 11, wobei die Dicke einer weiteren Schicht (7, 7a, 8, 8a) in mindestens einer Richtung des Transducers variiert, vorzugsweise in mindestens einem Abschnitt die Dicke in mindestens einer Richtung des Transducers zunimmt und besonders bevorzugt die Dicke der Schicht in mindestens einer 2012. Transducer according to one of claims 4 to 11, wherein the thickness of a further layer (7, 7a, 8, 8a) varies in at least one direction of the transducer, preferably in at least one section the thickness increases in at least one direction of the transducer and particularly preferably the thickness of the layer in at least one 20th
Richtung von beispielsweise 20 auf 100 nm linear zunimmt .Direction increases linearly from, for example, 20 to 100 nm.
13. Transducer nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die variable Dicke der Metallschicht (5) und/oder weiteren Schicht (7, 7a, 8, 8a) durch ortsaufgelöstes Aufbringen von Material, wie Aufsputtern von Gold auf Oberflächen, Bedrucken, gerichtete Eindiffusion von Fremdmaterialien, Ionenimplantation, oder durch photoinduzierte Bindung bereitgestellt wird, und/oder durch gezielte Entfernung von Material von der Oberfläche, wie durch Sputtern, lithographische Techniken und/oder Plasmaätzen bereitgestellt wird.13. Transducer according to one of claims 10 to 12, wherein the variable thickness of the metal layer (5) and / or further layer (7, 7a, 8, 8a) directed by spatially resolved application of material, such as sputtering gold on surfaces, printing Diffusion of foreign materials, ion implantation, or by photoinduced binding is provided, and / or by targeted removal of material from the surface, as is provided by sputtering, lithographic techniques and / or plasma etching.
14. Transducer nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei der Brechungsindex n der Metallschicht (5) und/oder der weiteren Schicht (7, 7a, 8, 8a) in mindestens einer Richtung des Transducers variiert, vorzugsweise in—mindestens einem Abschnitt des Transducers in einer Richtung linear zunimmt .14. Transducer according to one of claims 9 to 13, wherein the refractive index n of the metal layer (5) and / or the further layer (7, 7a, 8, 8a) varies in at least one direction of the transducer, preferably in at least a section of the Transducers increases linearly in one direction.
15. Transducer nach Anspruch 14, wobei der variable Brechungsindex n mit festen Gradienten durch ortsaufgelöstes Einbringen von Material, wie gerichtete Eindiffusion von Fremdmaterialien oder Ionenimplantation bereitgestellt wird.15. The transducer according to claim 14, wherein the variable refractive index n is provided with fixed gradients by spatially resolved introduction of material, such as directional diffusion of foreign materials or ion implantation.
16. Transducer nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Transducer an einer Grenzfläche ein Material aufweist, dessen Brechungsindex n durch Einstrahlung eines Lichtfeldes ortsaufgelöst modifiziert werden kann.16. Transducer according to one of the preceding claims, wherein the transducer has at an interface a material whose refractive index n can be modified in a spatially resolved manner by irradiation of a light field.
17. Transducer nach Anspruch 16, wobei das Material an der Grenzfläche des Transducers vorzugsweise ein Farbstoff ist. 2117. The transducer of claim 16, wherein the material at the interface of the transducer is preferably a dye. 21
18. Transducer nach einem der Ansprüche 4 bis 17, wobei mindestens eine Schicht (5, 7, 7a, 8, 8a) in mindestens einem Abschnitt des Transducers durch zeitliche Änderung einer äußeren Größe seine Eigenschaften reversibel ändert.18. Transducer according to one of claims 4 to 17, wherein at least one layer (5, 7, 7a, 8, 8a) in at least one section of the transducer reversibly changes its properties by changing the external size over time.
19. Transducer nach Anspruch 18, wobei mindestens eine Schicht (5, 7, 7a, 8, 8a) des Transducers in ihrer Dichte veränderbar ist, vorzugsweise durch ein akustisches Signal die Dichte veränderbar ist, besonders bevorzugt die Dichteveränderung in Form einer stehenden akustischen Welle bereitgestellt wird.19. Transducer according to claim 18, wherein at least one layer (5, 7, 7a, 8, 8a) of the transducer can be changed in its density, preferably the density can be changed by an acoustic signal, particularly preferably the change in density in the form of a standing acoustic wave provided.
20. Transducer nach Anspruch 19, wobei die Schicht (5, 7, 7a, 8, 8a) komprimierbar oder expandierbar ist.20. Transducer according to claim 19, wherein the layer (5, 7, 7a, 8, 8a) is compressible or expandable.
21. Transducer nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei mindestens ein Abschnitt einer Schicht (5, 7, 7a, 8, 8a) durch zeitabhängige Temperaturänderung seine Eigenschaften änder .21. Transducer according to one of claims 18 to 20, wherein at least a section of a layer (5, 7, 7a, 8, 8a) changes its properties by time-dependent temperature change.
22. Transducer nach einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei mindestens eine Schicht (5, 7, 7a, 8, 8a) in Abhängigkeit von einem eingestrahlten Lichtfeld veränderbar ist.22. Transducer according to one of claims 18 to 21, wherein at least one layer (5, 7, 7a, 8, 8a) can be changed as a function of an irradiated light field.
23. Transducer nach einem der Ansprüche 18 bis 22, wobei der Transducer an einer Grenzfläche ein Material aufweist, dessen Brechungsindex n durch Einstrahlung eines Licht- feldes zeitaufgelöst modifiziert werden kann.23. Transducer according to one of claims 18 to 22, wherein the transducer has at an interface a material whose refractive index n can be modified in a time-resolved manner by irradiation of a light field.
24. Transducer nach Anspruch 23, wobei das Material an der Grenzfläche des Transducers vorzugsweise ein Farbstoff ist.24. The transducer of claim 23, wherein the material at the interface of the transducer is preferably a dye.
25. Transducer nach einem der Ansprüche 1 bis 24, mit mindestens einer Schicht (5, 7, 7a, 8, 8a), deren optischen Eigenschaften zyklisch veränderbar sind. 2225. Transducer according to one of claims 1 to 24, with at least one layer (5, 7, 7a, 8, 8a), the optical properties of which can be changed cyclically. 22
26. Transducer nach Anspruch 25, wobei eine Amplitude der zyklischen Modifikation der optischen Eigenschaften vorzugsweise so groß ist, daß in einer Periode eine komplette Oberflächenplasmonenresonanz überstrichen wird.26. Transducer according to claim 25, wherein an amplitude of the cyclic modification of the optical properties is preferably so large that a complete surface plasmon resonance is swept in one period.
27. Transducer nach Anspruch 26, wobei die zyklische Variation einer sägezahnförmigen Funktion, einer Dreiecksfunktion, einer Sinusfunktion oder einer Funktion folgt, die das Oberflächenplasmon auf eine der genannten Funktionen abbildet.27. The transducer according to claim 26, wherein the cyclic variation follows a sawtooth-shaped function, a triangular function, a sine function or a function that maps the surface plasmon to one of said functions.
28. Transducer nach einem der Ansprüche 1 bis 27, wobei eine Veränderung der Eigenschaften des Transducers in einer Richtung in einem karthesischen Koordinatensystem erfolgt, vorzugsweise in Richtung einer Achse y eines rechteckigen Transducers.28. Transducer according to one of claims 1 to 27, wherein a change in the properties of the transducer takes place in one direction in a Cartesian coordinate system, preferably in the direction of an axis y of a rectangular transducer.
29. Transducer nach einem der Ansprüche 1 bis 27, wobei eine Veränderung der Eigenschaften des Transducers in einer Richtung in einem Zylinderkoordinatensystem erfolgt, vorzugsweise in Richtung des Drehwinkels eines kreisförmigen Transducers .29. Transducer according to one of claims 1 to 27, wherein a change in the properties of the transducer takes place in one direction in a cylindrical coordinate system, preferably in the direction of the angle of rotation of a circular transducer.
30. Optischer Sensor mit einer Lichtquelle (1); einem Oberflächenplasmonenresonanz-Transducer (2) insbesondere nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche und einem Detektor (3) . 30. Optical sensor with a light source (1); a surface plasmon resonance transducer (2) in particular according to at least one of the preceding claims and a detector (3).
2323
31. Optischer Sensor nach Anspruch 30, wobei auf der Lichteinkopplungs-Seite des Transducers ein einkoppelndes Medium (4, 12) angeordnet ist und der Transducer relativ zu dem einkoppelnden Medium (4, 12) linear bewegbar ist.31. Optical sensor according to claim 30, wherein a coupling medium (4, 12) is arranged on the light coupling side of the transducer and the transducer is linearly movable relative to the coupling medium (4, 12).
32. Optischer Sensor nach Anspruch 31, wobei der Transducer32. Optical sensor according to claim 31, wherein the transducer
(2) entlang mindestens einer Richtung bewegbar angeordnet und mit einem Antrieb verbunden ist.(2) movably arranged along at least one direction and connected to a drive.
33. Optischer Sensor nach Anspruch 31 oder 32, wobei an der Probenseite des Transducers ein Probenraum vorgesehen ist, der vorzugsweise mehrere Probenkanäle (10) aufweist .33. Optical sensor according to claim 31 or 32, wherein a sample space is provided on the sample side of the transducer, which preferably has a plurality of sample channels (10).
34. Optischer Sensor nach Anspruch 33, wobei der Transducer34. The optical sensor of claim 33, wherein the transducer
(2) rechteckförmig ist und mindestens ein Probenkanal (10) in der Bewegungsrichtung des Transducers angeordnet ist, wobei vorzugsweise sich jeder Probenkanal über einen Bereich erstreckt, der zwischen 5% und 100% des Bewegungsweges des Transducers beträgt.(2) is rectangular and at least one sample channel (10) is arranged in the direction of movement of the transducer, each sample channel preferably extending over an area which is between 5% and 100% of the path of movement of the transducer.
35. Optischer Sensor nach Anspruch 30, wobei auf der Lichteinkopplungs-Seite des Transducers ein einkoppelndes Medium (4, 12) angeordnet ist und der Transducer relativ zu dem einkoppelnden Medium (4, 12) drehbar ist.35. Optical sensor according to claim 30, wherein a coupling medium (4, 12) is arranged on the light coupling side of the transducer and the transducer is rotatable relative to the coupling medium (4, 12).
36. Optischer Sensor nach Anspruch 35, wobei der Transducer um eine Achse drehbar angeordnet und mit einem Antrieb verbunden ist. 2436. Optical sensor according to claim 35, wherein the transducer is rotatably arranged about an axis and is connected to a drive. 24
37. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 35 oder 36, wobei an der Probenseite des Transducers ein Probenraum vorgesehen ist, der vorzugsweise mehrere Probenkanale37. Optical sensor according to one of claims 35 or 36, wherein a sample space is provided on the sample side of the transducer, which preferably has a plurality of sample channels
(10) aufweist.(10).
38. Optischer Sensor nach Anspruch 37, wobei der Transducer38. Optical sensor according to claim 37, wherein the transducer
(2) kreisförmig ist und mindestens ein Probenkanal (10) konzentrisch angeordnet ist, wobei vorzugsweise sich jeder Probenkanal über einen Wmkelbereich erstreckt, der zwischen 10° und 360° betragt.(2) is circular and at least one sample channel (10) is arranged concentrically, each sample channel preferably extending over a well-defined area which is between 10 ° and 360 °.
39. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 31 bis 38, wobei das einkoppelnde Medium ein dreieckformiges Prisma (4) oder ein Zylinderprisma (12) oder einen Abschnitt eines Prismas aufweist.39. Optical sensor according to one of claims 31 to 38, wherein the coupling medium has a triangular prism (4) or a cylindrical prism (12) or a portion of a prism.
40. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 31 bis 39, wobei zwischen der Lichteinkopplungs-Seite (13) des Tranducers (2) und dem einkoppelnden Medium (4, 12) ein Mittel zur Anpassung des Brechungsindexes, vorzugsweise ein Immersionsol (14) angeordnet ist.40. Optical sensor according to one of claims 31 to 39, wherein a means for adjusting the refractive index, preferably an immersion sol (14), is arranged between the light coupling-in side (13) of the tranducer (2) and the coupling-in medium (4, 12) .
41. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 31 bis 40, wobei an der Lichteinkopplungs-Seite (13) des Transducers (2) direkt auf dem einkoppelnden Medium (4, 12) eine Metalischicht angeordnet ist.41. Optical sensor according to one of claims 31 to 40, wherein a metal layer is arranged directly on the coupling medium (4, 12) on the light coupling-in side (13) of the transducer (2).
42. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 34, 38 bis 41, wobei jeder Probenkanal (10) verschiedene Kammern aufweist zur Aufnahme von beispielsweise einer Probe oder einer Pufferlosung. 2542. Optical sensor according to one of claims 34, 38 to 41, wherein each sample channel (10) has different chambers for receiving, for example, a sample or a buffer solution. 25th
43. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 31 bis 42, wobei die Lichtquelle eine spektrale Breite aufweist, die klein gegenüber der spektralen Breite des Oberflächenplasmons bei konstantem Einfallswinkel des anregenden Lichtes ist und/oder einen im wesentlichen parallelen Lichtstrahl aussendet.43. Optical sensor according to one of claims 31 to 42, wherein the light source has a spectral width which is small compared to the spectral width of the surface plasmon at a constant angle of incidence of the exciting light and / or emits a substantially parallel light beam.
44. Optischer Sensor nach Anspruch 43, wobei die Lichtquelle eine Laserdiode oder Leuchtdiode mit einem spektralen Filter wie ein Monochromator aufweist.44. Optical sensor according to claim 43, wherein the light source comprises a laser diode or light-emitting diode with a spectral filter such as a monochromator.
45. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 31 bis 44, mit einer Strahlformungsoptik (11) vorzugsweise aus Zylinderlinsen, die den Lichtstrahl von der Lichtquelle (1) in der Richtung senkrecht zur Reflexionsebene aufweiten und einen parallelen monochromatischen Lichtstrahl bilden.45. Optical sensor according to one of claims 31 to 44, with a beam shaping optics (11) preferably made of cylindrical lenses, which expand the light beam from the light source (1) in the direction perpendicular to the reflection plane and form a parallel monochromatic light beam.
46. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 31 bis 45, wobei der Detektor (3) mehrere Photoempfänger aufweist, vorzugsweise in Form einer Photodiodenzeile, eines Photodiodenarrays, einer CCD-Zeile oder einer Kamera oder einer angepaßten Anordnung von Photoempfängern .46. Optical sensor according to one of claims 31 to 45, wherein the detector (3) has a plurality of photodetectors, preferably in the form of a photodiode array, a photodiode array, a CCD line or a camera or a customized arrangement of photodetectors.
47. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 31 bis 46, wobei der Transducer (2) mindestens zwei Bereiche47. Optical sensor according to one of claims 31 to 46, wherein the transducer (2) at least two areas
(A, B) aufweist, wobei in einem Normalzustand die reflektierte Intensität in einem ersten Bereich (A) klein ist und in einem zweiten Bereich (B) die reflektierte Intensität groß ist und sich beim Abweichen vom Normalzustand die reflektierte Intensität in den Bereichen (A, B) ändert. (A, B), wherein in a normal state the reflected intensity is small in a first region (A) and in a second region (B) the reflected intensity is large and when the deviation from the normal state the reflected intensity in regions (A , B) changes.
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